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3D-Druck

Auf dem Weg zur smarten, agilen Fabrik

| Autor / Redakteur: Martin Steuer / Simone Käfer

Der 3D-Druck sucht sich seinen Weg in die Produktionshallen.
Der 3D-Druck sucht sich seinen Weg in die Produktionshallen. (Bild: ©Maksim Kabakou - stock.adobe.com)

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Will die Additive Fertigung von der Industrie als ernst zu nehmendes Verfahren wahrgenommen werden, muss sie sich auch neben konventionellen Verfahren und in einer smarten Fabrik beweisen. Wie sie das bewerkstelligen kann, erklärt Martin Steuer.

Der 3D-Druck als Fertigungsmethode wurde anfangs vor allem zum Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen genutzt. Seitdem hat die Technik ihren Nutzen für zahlreiche Unternehmen in unterschiedlichen Industrien bewiesen – egal ob komplexe Leichtbaustrukturen, Kostensenkungen durch Funktionsintegration, Produktindividualisierung oder beschleunigte Produktentwicklung und -herstellung. Mittlerweile hat die Additive Fertigung (AM) einen Reifegrad erreicht, mit dem Anwender Komponenten und Endteile in Serie herstellen könnten. Das gelingt mit einer hohen und reproduzierbaren Bauteilqualität, ermöglicht durch einen robusten und stabilen AM-Bauprozess und die sich stetig reduzierenden Kosten pro Bauteil.

Der Serieneinsatz bringt neue Kundenanforderungen mit sich und verlangt entsprechende Lösungen. Es geht dabei nicht nur darum, bei welchen Anwendungen die additive die konventionelle Fertigung ersetzen kann. Die lückenlose, effiziente Integration in bestehende Produktionsumgebungen, die Verbindung von industriellem 3D-Druck mit konventionellen Fertigungsmethoden und die kontinuierliche Verbesserung des Teile- und Datenflusses sind elementare Anforderungen. Kurz: Es geht um die digitale Vernetzung von konventionellen und additiven Techniken.

Um diese voranzutreiben, entwickelt EOS, Anbieter von 3D-Druck-Technik, eigene Lösungen und schließt über Partnerschaften und Kooperationen etwaige Lücken in der Fertigungskette mit dem Ziel, die digitale und intelligente Fabrik inklusive der AM-Technik zu ermöglichen. Um 3D-Druck-Systeme und Peripheriegeräte in die Fabriksteuerung integrieren zu können, werden Lösungen zur Additiven Fertigung zunehmend softwareseitig mit den entsprechenden industriellen Schnittstellen wie OPC UA ausgestattet.

Von Konstruktionssoftware bis PLM

Diese Verzahnung beginnt bereits bei der Bauteilkonstruktion. Schon in dieser Phase ist es wichtig, in AM-gerechtem Design zu denken. Bei konventionellen, subtraktiven Fertigungsverfahren hat ein Konstrukteur die Fertigungsart für das spätere Bauteil – zum Beispiel Gussteil (gleichmäßige Wandstärken) oder Blechteil (Mindestbiegeradius) – bereits im Kopf und entwirft es entsprechend. Ähnlich ist es auch, wenn Bauteile für den industriellen 3D-Druck konstruiert werden. Möglichkeiten wie generatives Design und Topologieoptimierung sollten bereits in der Designumgebung auf den AM-Bauprozess ausgerichtet sein, um am Ende die geforderten Materialeigenschaften zu erreichen.

Die meisten CAX-Anbieter (computer-aided technologies) stellen heute eine einheitliche Umgebung bereit, in der konstruiert, simuliert und die Fertigungsvorbereitung durchgeführt werden kann. Hinzu kommt, dass sie über Integrationsschnittstellen verfügen, um ihre AM-Applikation zu erweitern. Ein Beispiel hierfür ist die Integration der Software Eosprint in die Software Siemens NX. Die Vernetzung mit der Software von Siemens PLM bietet CAD/CAM-Schnittstellen für Konstruktion und Fertigung. Anwender müssen dadurch auf Basis eines eng verzahnten Prozesses nur noch in einer Softwareumgebung arbeiten – von der digitalen Bauteilkonstruktion bis zum AM-Bauprozess. Durch Integrationen wie diese kann die Additive Fertigung noch schneller, einfacher sowie vorhersagbar und damit zuverlässiger erfolgen.

Konstruktion für 3D-Druck

Additive Fertigung

Konstruktion für 3D-Druck

08.05.18 - Additive Verfahren werden zunehmend für die Herstellung von Endprodukten eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Fertigungstechniken ist die Prozesskette von der Konstruktion hin zur Produktionsvorbereitung allerdings weniger durchgängig. Doch CAD-Softwareanbieter und 3D-Drucker-Hersteller rücken zusammen. lesen

Ein weiterer entscheidender Punkt ist es, die Daten während und nach dem Produktionsprozess zugänglich zu machen und weiterzuverarbeiten. EOS-Lösungen lassen sich mit vorhandenen MES/ERP-Anwendungen verbinden, unterstützen aber auch neue, digitale Marktplätze und IoT-Plattformen. Um die Flexibilität und Produktivität zu verbessern, lassen sich mit Eosconnect Maschinen- und Produktionsdaten sammeln und nahezu in Echtzeit abrufen. EOS hat zudem eine App für die Darstellung der Daten auf einem Dashboard entwickelt. Dies ermöglicht eine umfassende und benutzerfreundliche Überwachung des Maschinenparks.

Diese hohe Konnektivität bietet zwei wesentliche Vorteile: Unternehmen können Produktionsdaten für eine sichere und zuverlässige Nachverfolgbarkeit nahtlos an ihre CAQ-Systeme (computer aided quality) übergeben. Das wiederum unterstützt Anwender sowohl bei der Validierung ihrer Produktionsprozesse als auch bei der Qualitätskontrolle. Gleichzeitig profitieren Unternehmen von der Transparenz, welche die Verfügbarkeit und die Visualisierung produktionsbezogener Leistungskennzahlen in Echtzeit ermöglicht. Auch umfangreiche Remote Services am AM-System werden möglich. Letztlich hilft eine solch umfassende Konnektivität Anwendern dabei, ihre Produktivität zu steigern.

Für seine M-400-Serie entwickelt EOS skalier- und automatisierbare Peripheriemodule. Damit sollen die Bauvorbereitung und die Pulveraufbereitung vereinfacht und beschleunigt werden.
Für seine M-400-Serie entwickelt EOS skalier- und automatisierbare Peripheriemodule. Damit sollen die Bauvorbereitung und die Pulveraufbereitung vereinfacht und beschleunigt werden. (Bild: EOS)

Automatisierung der Prozesskette

Neben der Softwareeinbindung wird auch die stetige Automatisierung des Teileflusses immer wichtiger, um den 3D-Druck in industriellem Maßstab einzusetzen. Die Maschinenhersteller arbeiten inzwischen an entsprechenden Lösungen – von der Zuführung des Werkstoffs über den eigentlichen AM-Bauprozess bis zu nachfolgenden Verarbeitungsschritten. Für den Bauteiltransport zwischen den einzelnen Stationen eignen sich Förderbänder, Roboter und fahrerlose Transportsysteme. Eine Produktionseinheit könnte wie folgt aussehen: Die Automatisierung beginnt mit der Zuführung des Werkstoffs, indem ein zentrales Werkstoffdepot vollautomatisiert mehrere 3D-Drucker versorgt. Manuelles Nachfüllen entfällt und eine kontinuierliche Produktion ist gewährleistet. So entwickelt zum Beispiel EOS für seine Metallsysteme der M-400-Generationen das Konzept Shared­-Modules, das mit mehreren Peripheriemodulen flexibel und skalierbar auf eine industrielle Produktion vorbereitet ist. Automatisierte Peripheriemodule und Transportlogistik sorgen für eine effiziente Versorgung gleich mehrerer AM-Systeme zur Verarbeitung von Metallwerkstoffen. Damit lassen sich sämtliche Rüst-, Auspack-, Förder- und Siebtätigkeiten unabhängig vom und parallel zum Bauprozess durchführen.

Verbesserungen im Bauprozess

Der eigentliche Bauprozess wird ebenfalls stetig verbessert, sowohl im Kunststoff- als auch im Metallbereich. Synchron arbeitende Hochleistungslaser in Kombination mit einem optimierten Pulverbeschichtungssystem können die Produktivität gegenüber Systemen mit einem Laser merkbar steigern. So zeichnet sich die EOS P 500 durch eine doppelt so hohe Aufbaurate aus, verglichen mit dem derzeit schnellsten Lasersintersystem von EOS im Polymerbereich, der P 396. Zahlreiche Faktoren tragen dazu bei, darunter zwei leistungsstarke 70-W-Laser zum Aufschmelzen des Werkstoffs und ein spezieller Beschichter. Dieser ist präzise steuerbar und trägt eine neue Schicht Kunststoffpulver in 600 mm/s auf die Bauplattform auf. Mit Ende des Bauvorgangs kommt es zum automatisierten Entfernen von ungeschmolzenen Pulverpartikeln, was die Rückführung und Wiederverwendung des Werkstoffs ermöglicht. Auf die automatisierte Entnahme der Bauteile und die anschließende Wärmebehandlung folgt eine geometrische Qualitätssicherung. Zuletzt wird das Bauteil von der Trägerplatte getrennt. Das qualitätsgesicherte und separierte Bauteil wird automatisiert für weitere, individuelle Nachbearbeitungsprozesse bereitgestellt.

Die Idee von der vernetzten Fabrik: EOS arbeitet an ihrer Umsetzung mit Daimler und Premium Aerotec.
Die Idee von der vernetzten Fabrik: EOS arbeitet an ihrer Umsetzung mit Daimler und Premium Aerotec. (Bild: EOS)

Wie eine solche Produktion aussehen kann, zeigt die Zusammenarbeit zwischen dem Luftfahrtzulieferer Premium Aerotec, dem Automobilhersteller Daimler und EOS in dem Projekt Next-Gen-AM. Um den Gesamtprozess weiter zu automatisieren, prüft das Projektteam den kompletten additiven Fertigungsvorgang auf weitere Automatisierungspotenziale. Davon versprechen sich die Partner deutliche Kostenvorteile und wichtige Grundlagen, um die Technik zukünftig für Großserien nutzen zu können. Das zu entwickelnde aluminiumbasierte Gesamtsystem soll sowohl im Automobilbau als auch – mit entsprechender Adaption – in der Luftfahrt eingesetzt werden. Ist die Additive Fertigung erst mal in diesen Bereichen automatisiert und integriert, wird es einfacher, sie für einen breiteren Anwendungsbereich zu öffnen.

Mehr Agilität in Produktion und Logistik

Durch Maßnahmen wie die hier angeführten wird der industrielle 3D-Druck schrittweise in digitale Fertigungsketten integriert. Die konsequente Weiterentwicklung und Einbindung der Technik in Produktions- und Lieferketten kann derzeitige Produktionsstrategien umkehren und die agile Verknüpfung von Produktionsplattformen ermöglichen. Wo heute etablierte Produktionsketten auf Auslastung und Effizienz hin getrimmt sind und gleichzeitig hohe Warenwerte über Lieferketten weltweit versendet werden, wird die Additive Fertigung im Rahmen von Industrie 4.0 mehr Flexibilität und Agilität für intelligente Produktions- und Lieferketten ermöglichen. Damit entsteht eine hochgradig agile Fabrik der Zukunft, mit erhöhter Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Marktanforderungen und -schwankungen. Aktuell stehen wir am Beginn des Serieneinsatzes, das Potenzial, das sich bietet, ist enorm.

Neue Werkstoffe, neue Verfahren, neue Logistik

Kommentar

Neue Werkstoffe, neue Verfahren, neue Logistik

19.04.18 - „Auch die Hersteller von 3D-Druckern werden sich umschauen müssen”, Claus Emmelmann, Institutsleiter des Fraunhofer-IAPT, gibt eine Einschätzung der aktuellen Situation sowie der möglichen Fortschritte in der Additiven Fertigung. lesen

* Martin Steuer arbeitet als Business Development Manager bei EOS in 82152 Krailling, Tel. (0 89) 8 93 36-0, info@eos.info, www.eos.info

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